[发明专利]一种直接甲醇燃料电池膜电极及制备和应用

权利要求书

1.一种直接甲醇燃料电池膜电极，包括依次层叠的阳极气体扩散层、阳极催化层、电解质膜、阴极催化层、阴极气体扩散层，其特征在于：

所述阳极气体扩散层具有超薄结构，其厚度为5至100微米，孔隙率为20至90％；

所述阳极气体扩散层的构成组分为电子导体材料和粘结剂，其中电子导体材料包括碳纤维、碳纳米管、石墨烯、半导体纤维中的一种或两种以上，粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟磺酸聚合物、聚苯并咪唑中的一种或两种以上。

2.按照权利要求1所述膜电极，其特征在于：

阳极气体扩散层材料中电子导体材料与粘结剂质量比为19:1至3:2，优选范围为9:1至3:1；阳极气体扩散层厚度优选为5至100微米，孔隙率优选为50-80％。

3.按照权利要求1所述膜电极，其特征在于：所述半导体纤维包括二氧化硅、二氧化钛、氧化铟锡中的一种或两种以上。

4.按照权利要求1-3任一所述膜电极，其特征在于：

阴极催化层构成组分为非贵金属催化剂和离子导体聚合物；

所述阴极非贵金属催化剂包括氮掺杂碳、铁氮碳、镍氮碳、钴氮碳、金属氧化物中的一种或两种以上；所述离子导体聚合物包括全氟磺酸聚合物、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯并咪唑中的一种或两种以上。

5.按照权利要求4所述膜电极，其特征在于：

所述非贵金属催化剂与离子导体聚合物的质量比为9:1至1:2。

6.一种权利要求1-5任一所述膜电极的制备方法，包括阳极的制备、阴极的制备和膜电极的压合，其特征在于：

所述阳极的制备过程包括以下步骤，

1)将电子导体以及粘结剂，按照电子导体材料与粘结剂质量比例19:1至3:2混合均匀，并加入溶剂分散均匀，浆液中电子导体与粘结剂质量固含量为1-20％；所述电子导体包括碳纤维、碳纳米管、石墨烯、半导体纤维中的一种或两种以上，所述粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟磺酸聚合物、聚苯并咪唑中的一种或两种以上；

2)将上述浆液超声分散均匀后，采用剪力搅拌器于20-80℃条件下对其进行分散；分散均匀后采用过滤法或者涂布的方式制得多孔膜材料；

3)将上述多孔膜材料在空气条件下进行热处理，即得所制备超薄阳极气体扩散层；以所得到的阳极气体扩散层为基底采用刷涂或涂布的方法制备阳极催化层。

7.按照权利要求4或5所述膜电极的制备方法，其特征在于：

所述阴极的制备过程为：将非贵金属催化剂与离子导体聚合物按照9:1至1:2的质量比例于溶剂中混合分散均匀，涂布于阴极气体扩散层表面制得阴极催化层；

所述非贵金属催化剂包括氮掺杂碳、铁氮碳、镍氮碳、钴氮碳、金属氧化物中的一种或两种以上；所述离子导体聚合物包括全氟磺酸聚合物、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯并咪唑中的一种或两种以上。

8.按照权利要求6所述膜电极的制备方法，其特征在于：

步骤1)所述溶剂为水、乙醇、丙酮、异丙醇、乙二醇、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺中的一种或两种以上；所述半导体纤维包括二氧化硅、二氧化钛、氧化铟锡中的一种或两种以上。

9.按照权利要求6所述膜电极的制备方法，其特征在于：

步骤2)所述采用剪力搅拌器搅拌时，搅拌转头线速度为10-50m/s，搅拌时间2-30min。

10.按照权利要求6所述膜电极的制备方法，其特征在于：

步骤2)所述过滤法，其过程为，将孔径为5-50nm的滤膜铺展至漏斗底部，将所制备的浆液进行真空抽滤，按照滤膜面积使得其中固体面密度为50-2000μg/cm²，充分干燥后揭下备用；

所述涂布法，其过程为，按照固含量50-2000μg/cm²将上述浆液涂布至基膜上，干燥后揭下备用。